全球今日訊！人大團隊開發(fā)雙驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型

來源：DeepTech深科技時間：2023-06-23 04:29:55

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中國人民大學高瓴人工智能學院長聘副教授主要從事 AI for Science、人工智能數(shù)理基礎與前沿交叉前沿研究。

他提出面向復雜系統(tǒng)科學計算的新型機器學習方法，發(fā)展出一系列可用于復雜工程系統(tǒng)科學計算、氣象/天氣預報、科學探索等領域的人工智能系統(tǒng)，從而支撐輔助各個跨學科領域的信息化轉型、實現(xiàn)落地，并大幅提高工作效率，表現(xiàn)出巨大的社會和經(jīng)濟效益。

憑借在 “AI for Science”的交叉研究、協(xié)同解決科學智能計算領域“知識嵌入”和“知識發(fā)現(xiàn)”關鍵科學問題，成為 DeepTech 2022 年“中國智能計算科技創(chuàng)新人物”入選者之一。

圖丨DeepTech 2022 年“中國智能計算科技創(chuàng)新人物”入選者孫浩（來源：DeepTech）

為智能計算提供新范式

一般來說，如果將機器學習或深度學習用到復雜的物理系統(tǒng)，通過建模仿真解決相關問題時，需要豐富的數(shù)據(jù)進行標注。然而，在實際應用中，標注的數(shù)據(jù)卻極其稀疏。

這種情況下，如果用傳統(tǒng)的機器學習或深度學習的范式，對其進行學習建模是行不通的。另一方面，現(xiàn)有的學習范式可解釋性相對較差。

為解決這些問題，與團隊提出運用先驗物理知識對人工智能模型約束或編碼，發(fā)展數(shù)據(jù)和知識雙驅(qū)動智能計算模型，增強了深度學習的外推和泛化性能[1]。他們成功解決了在小訓練樣本下復雜動態(tài)系統(tǒng)建模、非線性偏微分方程正反問題高效求解、數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真等關鍵性難題。

圖丨基于物理知識編碼的循環(huán)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的架構示意圖（來源：arXiv）

這種新型理論計算框架和方法，如何能夠在極少數(shù)樣本的情況下進行學習建模，并具有一定的可解釋性呢？簡單來說，把現(xiàn)有的基本知識，以合理的方式嵌入到機器學習或?qū)W習模型中，讓其形成知識嵌入或知識編碼新模型。

一方面，與之前相比，先驗知識的加入在可解釋性上有所增強。另一方面，由于先驗知識的補充，人們對數(shù)據(jù)的需求也會大幅度下降。新型的物理知識編碼的深度學習模型可解決復雜物理系統(tǒng)中時空演化的動力問題，例如流體系統(tǒng)、時空演化的系統(tǒng)等。

人工智能的方法絕大多數(shù)基于純數(shù)據(jù)驅(qū)動，也就是基于“連接主義”所形成的數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算的模型及理論。

實際上，知識嵌入學習是把基于符號計算的“符號主義”方法和基于數(shù)據(jù)計算的“連接主義”方法融合，形成了知識嵌入學習。此外，該研究還討論了一種方法，可從數(shù)據(jù)中提取目標控制方程或物理定律，進而實現(xiàn)新知識與新定律的發(fā)現(xiàn)。

面向科學探索中數(shù)據(jù)驅(qū)動的知識發(fā)現(xiàn)需求，他還進一步提出了一套新穎的符號方程學習和推理方法，從稀疏噪聲測量數(shù)據(jù)中自動挖掘提取未知的定律或控制方程，實現(xiàn)對復雜動力/動態(tài)系統(tǒng)的可解釋描述，已成功用于流體、生物化學反應擴散系統(tǒng)、細胞運動、混沌系統(tǒng)等問題。

圖丨推理結果的誤差傳播曲線（左）和快照（右）（來源：arXiv）

除了理論、算法、模型方面的工作，目前該團隊在氣象預報等方向做嘗試性應用探索。氣象系統(tǒng)由于具有非線性、混沌效應，是非常復雜的時空演化系統(tǒng)。

表示：“雖然其測量的數(shù)據(jù)量很大，但實際上它在描述系統(tǒng)本身。因此，針對系統(tǒng)本身的復雜度而言，測量是很稀疏的。我們在嘗試利用這種新方法，去探索是否能夠為氣象預報提供更精準的預報格式。”

另一方面，該團隊也在嘗試在生物化學反應方面，是否能基于小規(guī)模測量樣本解決建模仿真、反問題求解等任務。

此前，通過基于數(shù)值方法的科學計算來設計飛機、橋梁等工程系統(tǒng)，往往需要幾天甚至幾十天，經(jīng)歷迭代上萬次才能得到最優(yōu)解。該研究為科學計算提供了新的范式，從應用的角度可以加速設計的進程。將模型訓練好后做推理，可在幾秒鐘甚至更短的時間內(nèi)完成設計。

“我們的方法相當于為工程系統(tǒng)的反向設計提供了一個高效、快速的仿真器。如果未來該方法發(fā)展到一定的程度，可能會產(chǎn)生新工業(yè)革命?！闭f。

從力學到聚焦智能科學計算領域

實際上，并不是一開始就從事人工智能與交叉前沿的相關研究。在美國哥倫比亞大學攻讀碩士及博士學位期間，他的主要研究方向是計算力學和動力系統(tǒng)建模與識別。

2014 年開始，隨著深度學習研究的熱潮，慢慢地開始接觸這個領域。他發(fā)現(xiàn)，實際上很多傳統(tǒng)的工程中和力學領域中遇到的問題，都可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的范式解決。

但與此同時也必須看到，這種范式仍面臨可解釋性差、數(shù)據(jù)量多等問題。于是，他逐步思考將知識和定律融合的研究方向。新模型相當于起到了“1+1＞2”的效果，其性能分別高于基于純知識或純物理的模型，以及基于純數(shù)據(jù)的模型。

圖丨Physics for AI（來源：孫浩）

近年來，得益于先進傳感技術的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的普及，城市基礎設施安全與健康監(jiān)測系統(tǒng)逐步形成。但是，如何對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效而高效地同化分析，仍然是一項重大挑戰(zhàn)。

因此，面向國家在數(shù)據(jù)驅(qū)動基礎設施安全與智能化管理的重大需求，發(fā)展高效而穩(wěn)健的數(shù)據(jù)同化理論和創(chuàng)新算法，以應用為導向開展基礎與應用研究，具有重要的科學意義。

因此，在麻省理工學院做博士后期間，他逐步確立了智能科學計算的研究方向，包括數(shù)據(jù)同化概率模型、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、機器學習求解反問題等。

他所提出的基于機器學習的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可解決城市基礎設施安全與健康監(jiān)測中的大數(shù)據(jù)管理、挖掘、實時多尺度指標化狀態(tài)評測等難題，已成功用于多個實際工程場景中，包括麻省理工學院格林大樓健康監(jiān)測、科威特第一高樓 AL-Hamra 實時安全監(jiān)測等。

在美國匹茲堡大學和美國東北大學任終身序列助理教授、獨立 PI 后，他領導的研究團隊開始致力于機理融合人工智能科學計算理論和方法研究，致力于解決智能科學計算中“知識嵌入”和“知識發(fā)現(xiàn)”相關的科學難題。

2021 年，回國加入中國人民大學高瓴人工智能學院。通過系列研究，他與團隊運用 AI 從數(shù)據(jù)中加速解開更多潛在的未知定律，為物理、化學、生物、工程應用等學科問題尋找到更多可靠的理論支撐；同時為跨學科領域關鍵應用（如實時短齡天氣預報、熱-磁-流體多物理場模擬、湍流仿真等）提供新的技術支撐。

最近，人工智能大模型異?；馃帷Ｖ赋?，雖然大模型與智能科學計算看起來有些“相悖”，但也可以從中得到一些啟示。

因此，他與團隊也在進行一些科學探索，來確認是不是可以在大模型里嵌入人類的邏輯知識、先驗知識、已知的定律等，讓它的知識推理和邏輯推理的能力變得更強，以幫助人類做一些科學的新探索。

指出，在 AI for Science 層面，智能計算相關理論、模型、方法和技術需要具備如下幾個特征：可通用、可解釋、可擴展、可泛化、低數(shù)據(jù)依賴性。未來的發(fā)展趨勢是在發(fā)展和實現(xiàn)具備上述特征的新一代人工智能技術的同時，在解決各跨學科、跨領域相關科學探索和工程問題實現(xiàn)突破。

他表示，未來，在“符號主義”上有所突破，才會真正地實現(xiàn)類似人類的推理能力。因此，未來的發(fā)展一定是“連接主義”與“符號主義”并存，協(xié)同融合發(fā)展，進而形成一種智能科學計算的新范式。

參考資料：